放大电路中的反馈1.ppt

06放大电路中的反馈 6 1反馈的基本概念及判断方法6 2负反馈放大电路的四种基本组态6 3负反馈放大电路的方框图及一般表达式6 4深度负反馈放大电路放大倍数的分析6 5负反馈对放大电路性能的影响6 6负反馈放大电路的稳定性6 7放大电路中其它形式的反馈 6 1反馈的基本概念及判断方法 6 1 1反馈的基本概念 在放大电路中信号的传输是从输入端到输出端 这个方向称为正向传输 反馈就是将输出信号取出一部分或全部送回到放大电路的输入回路 与原输入信号相加或相减后再作用到放大电路的输入端 反馈信号的传输是反向传输 所以放大电路无反馈也称开环 放大电路有反馈也称闭环 反馈的示意图见图06 01 图06 01反馈概念方框图 若引回的信号削弱了输入信号 就称为负反馈 若引回的信号增强了输入信号 就称为正反馈 取 加强输入信号正反馈 取 削弱输入信号负反馈 开环 闭环 反馈信号 实际被放大信号净输入量 一 正反馈和负反馈 二 直流反馈和交流反馈 交流反馈 反馈只对交流信号起作用 直流反馈 反馈只对直流起作用 若在反馈网络中串接隔直电容 则可以隔断直流 此时反馈只对交流起作用 在起反馈作用的电阻两端并联旁路电容 可以使其只对直流起作用 有的反馈只对交流信号起作用 有的反馈只对直流信号起作用 有的反馈对交 直流信号均起作用 增加隔直电容C后 Rf只对交流起反馈作用 注 本电路中C1 C2也起到隔直作用 增加旁路电容C后 Rf只对直流起反馈作用 6 1 2反馈的判断 一 有无反馈的判断 若放大电路中存在将输出回路与输入回路相连接的通路 即反馈通路 并由此影响了放大电路的净输入 则表明电路引入了反馈 二 反馈极性的判断 瞬时极性法 在放大电路的输入端 假设一个输入信号对地的极性 可用 或 表示 按信号传输方向依次判断相关点的瞬时极性 直至判断出反馈信号的瞬时极性 如果反馈信号的瞬时极性使净输入减小 则为负反馈 反之为正反馈 反馈极性的判断 a U1为正 UP为正 为正 则在 上产生上为 下为 的反馈电压 使 数值减小 说明该电路引入负反馈 b 为正 则 为负 则在 上产生上为 下为 的反馈电压 使 数值增大 说明该电路引入正反馈 c iN流入集成运放 对地为正 输出电压 极性对地为负 作用于电阻产生电流 导致iN减小 说明该电路引入负反馈 图6 1 4分立元件放大电路反馈极性的判断 的极性为上 下 其作用结果使 管的b e压降减小 为负反馈 图6 1 5直流反馈与交流反馈的判断 一 只引入直流反馈 没有交流反馈 图6 1 6直流反馈与交流反馈的判断 二 该电路引入交流反馈 没有直流反馈 图6 1 7例6 1 1电路图 设 为 则 为 为 作用于 和 回路 在 上获得反馈电压 使 的净输入量减小 故电路引入负反馈 图6 2 1负反馈放大电路 输出量和输入量之间有固定的比例关系 抑制输出量和输入量的变化 使放大能力下降 反馈量和输出量成正比 负反馈的基本作用是将引回的反馈量和输入量相减 调整电路的净输入量和输出量 研究下列问题 从输入端看 反馈量是取自于输出电压 电压反馈 还是输出电流 电流反馈 从输入端看 反馈量与输入量是以电压方式叠加 串联反馈 还是以电流方式叠加 并联反馈 6 2负反馈放大电路的四种基本组态 一 电压反馈和电流反馈 电压反馈 反馈信号取自输出电压信号 电流反馈 反馈信号取自输出电流信号 电压负反馈 可以稳定输出电压 减小输出电阻 电流负反馈 可以稳定输出电流 增大输出电阻 根据反馈所采样的信号不同 可以分为电压反馈和电流反馈 根据反馈信号在输入端与输入信号比较形式的不同 可以分为串联反馈和并联反馈 串联反馈 反馈信号与输入信号串联 即反馈电压信号与输入信号电压比较 并联反馈 反馈信号与输入信号并联 即反馈信号电流与输入信号电流比较 串联反馈使电路的输入电阻增大 并联反馈使电路的输入电阻减小 二 串联反馈和并联反馈 ib i if 并联反馈 ube ui uf 串联反馈 正反馈可使输出幅度增加 负反馈则使输出幅度减小 在明确串联反馈和并联反馈后 正反馈和负反馈可用下列规则来判断 反馈信号和输入信号加于输入回路一点时 瞬时极性相同的为正反馈 瞬时极性相反的是负反馈 反馈信号和输入信号加于输入回路两点时 瞬时极性相同的为负反馈 瞬时极性相反的是正反馈 对三极管来说这两点是基极和发射极 对运算放大器来说是同相输入端和反相输入端 正反馈和负反馈的判断法之二 以上输入信号和反馈信号的瞬时极性都是指对地而言 这样才有可比性 负反馈 交流反馈 直流反馈 电压串联负反馈 电压并联负反馈 电流串联负反馈 电流并联负反馈 稳定静态工作点 负反馈的分类小结 图6 2 2电压串联负反馈电路 虚短U U 虚断i i 可看成电压源 输出电阻为零 图6 2 3电流串联负反馈电路 可看成电流源 输出电阻为无穷大 图6 2 4电压并联负反馈电路 Uo仅仅决定于Ii 可将电路看成由电流Ii控制的电压源uO 输出电阻趋于 图6 2 5电流并联负反馈电路 o仅仅决定于Ii 可将电路看成由电流Ii控制的电流源 O 输出电阻趋于无穷大 放大电路引入电压负反馈还是电流负反馈 取决于负载欲得到稳定的电压 电压负反馈 还是稳定的电流 电流负反馈 是串联 恒压源 还是并联 恒流源 负反馈取决于输入信号源是恒压源还是恒流源 反馈组态的判断电压负反馈与电流负反馈的判断 在电压负反馈中 反馈量取自输出电压 并与之成比例 在电流负反馈中 反馈量取自输出电流 并与之成比例 令UO 0 反馈量为0 说明引入电压负反馈 若反馈量仍然存在 直流负反馈 IO受运放输入信号的控制 RL 0 IO0 IF与IO关系不变 反馈量仍然存在 串联反馈与并联反馈的判断 若反馈信号为电压量 与输入电压求差而获得净输入电压 则为串联反馈 UD UI UF 若反馈信号为电流量 与输入电流求差获得净输入电流 则为并联反馈 iD iI iF 例题 R2将输入 输出回路连接 引入反馈 既引入直流反馈 又引入交流反馈 UF上 下 使集成运放的净输入电压UD减小 引入的是负反馈 UD U1 UF 为串联反馈 令UO 0 RL短路 iO受iB的控制而仍然存在 UF和UD的关系不变 所以电路引入的是电流反馈 电路引入了电流串联负反馈 例题 UI对地为 R2上获得反馈电压UF 使差分放大电路的净输入减小 故电路引入串联反馈 令输出电压UO 0 T3的集电极接地 UF 0 故电路引入了电压负反馈 该电路引入了电压串联负反馈 一 电压串联负反馈 对图06 05 a 所示电路 根据瞬时极性法判断 经Rf加在发射极E1上的反馈电压为 与输入电压极性相同 且加在输入回路的两点 故为串联负反馈 反馈信号与输出电压成比例 是电压反馈 后级对前级的这一反馈是交流反馈 同时Re1上还有第一级本身的负反馈 这将在下面分析 判断方法 对图 b 因输入信号和反馈信号加在运放的两个输入端 故为串联反馈 根据瞬时极性判断是负反馈 且为电压负反馈 结论是交直流串联电压负反馈 反馈系数 A o f o f V V X X F vv 对于图06 02 a 对于图06 02 b e1 f e1 R R R F vv 1 f 1 R R R F vv 2 闭环放大倍数对于串联电压负反馈 在输入端是输入电压和反馈电压相减 所以 二 电流串连负反馈 对图 a 反馈电压从Re1上取出 根据瞬时极性和反馈电压接入方式 可判断为串联负反馈 因输出电压短路 反馈电压仍然存在 故为串联电流负反馈 图06 07 a 电流串联负反馈 电流串联负反馈电路如图06 07所示 图 a 是基本放大电路将Ce去掉而构成 图 b 是由集成运放 见下页 构成 对图06 07 b 的电路求其互导增益 图06 07 b 于是1 R 这里忽略了Rf的分流作用 电压增益为 三 电压并联负反馈 图06 06电压并联负反馈 电压并联负反馈的电路如图06 06所示 因反馈信号与输入信号在一点相加 为并联反馈 根据瞬时极性法判断 为负反馈 且为电压负反馈 因为并联反馈在输入端采用电流相加减 所以为并联负反馈 具有电阻的量纲具有电阻的量纲具有电导的量纲 而电压增益为 称为互阻增益 称为互导反馈系数 相乘无量纲 对于深度负反馈 互阻增益为 四 电流并联负反馈 电流并联负反馈的电路如图06 08 a b 所示 对于图 a 电路 反馈节点与输入点相同 所以是电流并联负反馈 对于图 b 电路 也为电流并联负反馈 1 2 R ii 电流放大倍数 电流反馈系数是 显然 电流放大倍数基本上只与外电路的参数有关 与运放内部参数无关 电压放大倍数为 例1 判断Rf是否负反馈 若是 判断反馈的组态 uo uf ube ui uf uc1 ub2 uc2 uo 此电路是电压串联负反馈 对直流不起作用 分析中用到了三极管的集电极与基极相位相反这一性质 这里分析的是交流信号 不要与直流信号混淆 分析中用到的电压 电流要在电路中标出 并且注意符号的使用规则 如果反馈对交直流均起作用 可以用全量 当为交流反馈时 瞬时极性法所判断的也是相位的关系 电路中两个信号的相位不是同相就是反相 因此若两个信号都上升 它们一定同相 若另一个信号下降而另一个上升 它们一定反相 例2 判断Rf是否负反馈 若是 判断反馈的组态 uo if ib i if uo 此电路是电压并联负反馈 对直流也起作用 问题 三极管的静态工作点如何提供 能否在反馈回路加隔直电容 不能 Rf为三极管提供静态电流 Rf的作用 1 提供静态工作点 2 直流负反馈 稳定静态工作点 3 交流负反馈 稳定放大倍数 例3 判断Rf是否负反馈 若是 判断反馈的组态 例4 判断Rf是否负反馈 若是 判断反馈的组态 电流并联负反馈 对直流也起作用 可以稳定静态工作点 例5 判断如图电路中RE1 RE2的负反馈作用 1 对交流信号 RE1 电流串联负反馈 2 对直流信号 RE1 RE2对直流均起作用 通过反馈稳定静态工作点 反馈过程 例6 判断如图电路中RE3的负反馈作用 电流串联负反馈 对直流不起作用 6 3负反馈放大电路的方块图及一般表达式 图6 3 2四种反馈组态电路的方框图 放大电路引入电压负反馈还是电流负反馈 取决于负载欲得到稳定的电压 电压负反馈 还是稳定的电流 电流负反馈 是串联 恒压源 还是并联 恒流源 负反馈取决于输入信号源是恒压源还是恒流源 负反馈放大电路的一般表达式 1 AF 1 Af 1 F 表明电路引入深度负反馈 放大倍数仅仅决定于反馈网络 而与基本电路无关 A越大 反馈越深 Af 1 FAFA 说明电路引入正反馈 AF 1 1 AF 0 Af为无穷大 说明电路在输入量为0时就有输出 为自激振荡 6 3 4负反馈放大电路的基本放大电路 将反馈网络作为放大电路输入端和输出端的等效负载 当考虑反馈网络在输入端的负载效应时 令输出量的作用为0 当考虑反馈网络在输出端的负载效应时 应令输入量的作用为0 电压串联负反馈电路的基本放大电路输入端等效电阻 令UO 0 输出端等效电阻 Ii 0 将N点断开 图6 3 4电流串联负反馈电路的基本放大电路 返回 输入端等效电阻 令io 0 断开M点输出端等效电阻 令Ii 0 将N点断开 图6 3 5电压并联负反馈电路的基本放大电路 返回 输入端等效电阻 令uo 0 输出端等效电阻 令iI 0 将输入端接地 图6 3 6电流并联负反馈电路的基本放大电路 返回 输入端等效电阻 令io 0 M点断开输出端等效电阻 令iI 0 将输入端接地 6 4深度负反馈放大电路放大倍数的分析 当电路引入深度串联负反馈时 当电路引入深度并联负反馈时 6 4 2反馈网络的分析 6 4 3放大倍数的分析 求解深度负反馈放大电路放大倍数的步骤 正确判断反馈组态求解反馈系数利用F求解Af AufA F Af Auf符号相同 例6 4 1 R1 10k欧姆 R2 100K欧姆 R3 2k欧姆 RL 5k欧姆 求解深度负反馈条件下的电压放大倍数Auf 电流串联负反馈 例6 4 2 R2 10k欧姆 R4 100K欧姆 求解深度负反馈条件下的电压放大倍数Auf 电压串联负反馈 判断电路引入哪种组态的交流负反馈 求出在深度负反馈条件下的Af和Auf 两级共射放大电路 Uo和Ui同相 Uo作用于反馈网络 Re1上获得的电压为反馈电压 引入了电压串联负反馈 Af和Auf为 例6 4 4判断电路引入哪种组态的交流负反馈 求深度负反馈条件下的Af和Ausf Rf和Re2构成反馈网络 输入量 反馈量和净输入量以电流方式叠加 电流并联负反馈Uo与Ui反相 Io作用在反馈网络的电流是 图06 06例题06 4电路图 求图06 09在静态时运放的共模输入电压 若要实现串联电压反馈 Rf应接向何处 要实现串联电压负反馈 运放的输入端极性如何确定 求引入电压串联负反馈后的闭环电压放大倍数 解 静态时运放的共模输入电压 即静态时T1和T2的集电极电位 Ic1 Ic2 Ic3 2 解 可以把差动放大电路看成运放A的输入级 输入信号加在T1的基极 要实现串联反馈 反馈信号必然要加在T2 所以要实现串联电压反 解 既然是串联反馈 反馈和输入信号接到差放的两个输入端 要实现负反馈 必为同极性信号 差放输入端的瞬时极性 见图中红色标号 根据串联反馈的要求 可确定B2的极性 见图中绿色标号 由此可确定运放的输入端极性 馈 Rf应接向T2 解 求引入电压串联负反馈后的闭环电压增益 可把差放和运放合为一个整体看待 为了保证获得运放绿色标号的极性 B1相当同相输入端 B2相当反向输入端 为此该电路相当同相输入比例运算电路 所以电压增益为 6 4深度负反馈放大电路放大倍数的分析 6 5负反馈对放大电路性能的影响 一 稳定放大倍数 三 改变输入电阻和输出电阻 四 展宽频带 二 改善波形失真 负反馈使放大倍数下降 引入负反馈使电路的稳定性提高 2 1 一 对放大倍数的影响 二 改善波形的失真 产生失真的原因 理想放大电路其输出输入信号为线性关系 输出信号中除含有与输入信号频率相同的基波外 还含有其它谐波 因此产生失真 图6 5 7引入负反馈使非线性失真减小 Xi Xi Xf Xo AXi Xo Ax 为Xo的基波部分 Xo 为由半导体器件的非线性所产生的谐波部分 当增大输入量Xi时 使Xi 中的基波成分与开环相同 保证输出量的基波成份与开环相同 Xo的谐波成分为Xo Xo Xo AFXo Xo Xo 1 AF 结论 引入负反馈后 输出的谐波部分被减小到基本放大电路的1 1 AF 1 使输出量在闭环前 后保持基波成分不变 才能保证非线性失真减小 2 非线性失真产生于电路内部 引入负反馈才被抑制 三 对输入 输出电阻的影响 1 串联负反馈使电路的输入电阻增加 2 并联负反馈使电路的输入电阻减小 例如 射极输出器 理解 串联负反馈相当于在输入回路中串联了一个电阻 故输入电阻增加 理解 并联负反馈相当于在输入回路中并联了一条支路 故输入电阻减小 图6 5 1串联负反馈电路的方框图 图6 5 3并联负反馈电路的方框图 3 电压负反馈使电路的输出电阻减小 例如 射极输出器 理解 电压负反馈目的是阻止 uo的变化 稳定输出电压 放大电路空载时可等效右图框中为电压源 输出电阻越小 输出电压越稳定 反之亦然 图6 5 4电压负反馈电路的方框图 理解 电流负反馈目的是阻止 io的变化 稳定输出电流 放大电路空载时可等效为右图框中电流源 输出电阻越大 输出电流越稳定 反之亦然 4 电流负反馈使电路的输出电阻增加 图6 5 5电流负反馈电路的方框图 四 对通频带的影响 引入负反馈使电路的通频带宽度增加 6 6 1负反馈放大电路的自激条件6 6 2用波特图判断负反馈放大电路的自激 6 6负反馈放大电路的稳定性 负反馈可以改善放大电路的性能指标 但是负反馈引入不当 会引起放大电路自激 为了使放大电路正常工作 必须要研究放大电路产生自激的原因和消除自激的有效方法 6 6 1负反馈放大电路的自激条件 A A A F f 1 相位条件 又可写为幅度条件 1 F A AF A F 2n 1 n 0 1 2 3 将 0 改写为 1 F A F A 1 XO有从小到大过程 AF 1 负反馈放大电路的定性分析 放大级数越大 越容易产生自激振荡 3级 放大电路中耦合电容 旁路电容越多 越容易产生低频率振荡 1 AF越大 越容易产生自激振荡 必须破坏产生自激振荡的条件 AF是放大电路和反馈电路的总附加相移 如果在中频条件下 放大电路有180 的相移 在其它频段电路中如果出现了附加相移 AF 且 AF达到180 使总的相移为360 负反馈变为正反馈 如果幅度条件满足要求 放大电路产生自激 在许多情况下反馈电路是由电阻构成的 所以 F 0 AF A F A 图6 6 01是一个同相比例放大电路 其输入 反馈 净输入和输出信号的相位关系如图6 6 02所示 因运放输出与输入相移为0 若附加相移达到180 则可形成正反馈 图6 6 01同相比例运算电路 图6 6 02同相比例运算电路矢量图 6 6 2用波特图判断负反馈放大电路的自激 6 6 2 1波特图的绘制6 6 2 2放大电路自激的判断6 6 2 3环路增益波特图的引入6 6 2 4判断自激的条件 6 6 2 1波特图的绘制 有效地判断放大电路是否能自激的方法 是用波特图 不过前面波特图的Y轴坐标是20lg A 单位是分贝 X轴是对数坐标 单位是赫兹 有一个三极点直接耦合开环放大电路的频率特性方程式如下 其波特图如图6 6 03所示 频率的单位为Hz 根据给定的频率特性方程 放大电路在高频段有三个极点频率fp1 fp2和fp3 105代表中频电压放大倍数 100dB 于是可画出幅度频率特性曲线和相位频率特性曲线 总的相频特性曲线是用每个极点频率的相频特性曲线合成而得到的 相频特性曲线的Y坐标是附加相移 A 当 A 180 时 即图中的S点对应的频率称为临界频率fc 当f fc时反馈信号与输入信号同相 负反馈变成了正反馈 只要信号幅度满足要求 即可自激 6 6 2 3环路增益波特图的引入 由于负反馈的自激条件是 所以将以20为Y坐标的波特图改变为以20为Y坐标的波特图 用于分析放大电路的自激更为方便 由于 1 F A F A lg 对于幅度条件 1 F A 相当在以20为Y坐标的波特图上减去即可到以环路增益20为Y坐标的波特图了 如图6 6 04所示 A lg 在图6 6 04中 当F3 0 01时 MN线为20lg 0dB 20lg 0dB这条线与幅频特性的交点称为切割频率f0 此时 1 A 180 幅度和相位条件都满足自激条件 所以20lg 0dB这条线是临